C语言 - 指针

1. 初识C指针

学习 C 语言的指针既简单又有趣。通过指针,可以简化一些 C 编程任务的执行,还有一些任务,如动态内存分配,没有指针是无法执行的。所以,想要成为一名优秀的 C 程序员,学习指针是很有必要的。

正如您所知道的,每一个变量都有一个内存位置,每一个内存位置都定义了可使用 & 运算符访问的地址,它表示了在内存中的一个地址。

请看下面的实例,它将输出定义的变量地址:

实例

#include <stdio.h>
 
int main ()
{
    int var_runoob = 10;
    int *p;              // 定义指针变量
    p = &var_runoob;
 
   printf("var_runoob 变量的地址: %p\n", p);
   return 0;
}

当上面的代码被编译和执行时,它会产生下列结果:

var_runoob 变量的地址: 0x7ffeeaae08d8

通过上面的实例,我们了解了什么是内存地址以及如何访问它。接下来让我们看看什么是指针。

 

2. 什么是指针

指针也就是内存地址,指针变量是用来存放内存地址的变量。就像其他变量或常量一样,您必须在使用指针存储其他变量地址之前,对其进行声明。指针变量声明的一般形式为:

type *var_name;

在这里,type 是指针的基类型,它必须是一个有效的 C 数据类型,var_name 是指针变量的名称。用来声明指针的星号 * 与乘法中使用的星号是相同的。但是,在这个语句中,星号是用来指定一个变量是指针。以下是有效的指针声明:

int    *ip;    /* 一个整型的指针 */
double *dp;    /* 一个 double 型的指针 */
float  *fp;    /* 一个浮点型的指针 */
char   *ch;    /* 一个字符型的指针 */

所有实际数据类型,不管是整型、浮点型、字符型,还是其他的数据类型,对应指针的值的类型都是一样的,都是一个代表内存地址的长的十六进制数。

不同数据类型的指针之间唯一的不同是,指针所指向的变量或常量的数据类型不同。

 

3. 使用指针

使用指针时会频繁进行以下几个操作:定义一个指针变量、把变量地址赋值给指针、访问指针变量中可用地址的值。这些是通过使用一元运算符 * 来返回位于操作数所指定地址的变量的值。下面的实例涉及到了这些操作:

实例

#include <stdio.h>
 
int main ()
{
   int  var = 20;   /* 实际变量的声明 */
   int  *ip;        /* 指针变量的声明 */
 
   ip = &var;  /* 在指针变量中存储 var 的地址 */
 
   printf("var 变量的地址: %p\n", &var  );
 
   /* 在指针变量中存储的地址 */
   printf("ip 变量存储的地址: %p\n", ip );
 
   /* 使用指针访问值 */
   printf("*ip 变量的值: %d\n", *ip );
 
   return 0;
}

当上面的代码被编译和执行时,它会产生下列结果:

var 变量的地址: 0x7ffeeef168d8
ip 变量存储的地址: 0x7ffeeef168d8
*ip 变量的值: 20

 

4. NULL 指针

在变量声明的时候,如果没有确切的地址可以赋值,为指针变量赋一个 NULL 值是一个良好的编程习惯。赋为 NULL 值的指针被称为空指针。

NULL 指针是一个定义在标准库中的值为零的常量。请看下面的程序:

实例

#include <stdio.h>
 
int main ()
{
   int  *ptr = NULL;
 
   printf("ptr 的地址是 %p\n", ptr  );
 
   return 0;
}

当上面的代码被编译和执行时,它会产生下列结果:

ptr 的地址是 0x0

在大多数的操作系统上,程序不允许访问地址为 0 的内存,因为该内存是操作系统保留的。然而,内存地址 0 有特别重要的意义,它表明该指针不指向一个可访问的内存位置。但按照惯例,如果指针包含空值(零值),则假定它不指向任何东西。

如需检查一个空指针,您可以使用 if 语句,如下所示:

if(ptr)     /* 如果 p 非空,则完成 */
if(!ptr)    /* 如果 p 为空,则完成 */

 

5. 野指针

概念:野指针就是指针指向的位置是不可知的,(随机性的丶不正确的丶没有明确限制的)

造成野指针的成因:

(1).指针未初始化

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

int main()
{
	int* p;
	*p = 10;

	system("pause");
	return 0;
}

代码int* p没有初始化,所以p变量中存的地址并没有指向我们当前程序的空间,而是指向内存中随机的空间,因此要*p要访问这块内存空间肯定是出错的!

这里的p就是野指针

 

(2).指针的越界访问

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

int main()
{

	int arr[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	int* p = arr;
	for (int i = 0; i < 6; i++)
	{
		printf("%d ",*p);
		p++;
	}

	system("pause");
	return 0;
}

 我们设定数组arr,让指针变量p等于数组首元素的地址,数组本身有5个元素,但是在for循环中却循环6次,i分别是0 1 2 3 4 5,本身i是0~4的,循环时多了个5,导致非法访问内存,因此第六个数打印出来是随机数,这里也是野指针的问题了 

 

(3).指针所指向的空间释放了

这个问题也是经常遇到的问题啦,具体看下方例子:

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

int* test()
{
	int x = 20;
	return &x;
}

int main()
{
	int* p = test();
	*p = 30;

	system("pause");
	return 0;
}

test函数的返回值是x的地址,main函数中用指针变量p接收x的地址,但是x变量进入test函数创建,而出了test函数会销毁,这时再改变*p的值,即使用x的地址,则是非法访问内存了,也会造成野指针的问题

 

如何避免野指针:

①指针要初始化

比如上方的例子中,不能直接int* p,必须要初始化,int a = 10;int* p = &a;从而规避野指针问题

②要注意指针越界的问题

在我们使用数组时,一定要注意数组的元素个数以及我们所循环的次数,避免粗心而导致越界访问

③指针所指向的空间及时置NULL

在我们不使用指针变量p时,int* p = NULL;置为空,在接下来想要使用p时,用if语句:

if(p != NULL)  ......

能够很好地避免野指针

④避免返回局部变量的地址

就像上方野指针成因的第三条所举的例子,避免返回局部变量的地址

⑤指针使用之前检查有效性

像if(p != NULL)  ......就是在检查指针的有效性

 

6. 指针数组和数组指针

指针数组:

 

数组指针:

 

7. 指针偏移

指针偏移 就是指针的加减运算,实现指针指向地址的偏移。

 

C语言中的不同数据类型所占用的内存大小是不同的。比如char类型占用1个字节,int类型占用4字节。那么指针的偏移步长是不是与指针的类型有关呢?

我们先来看几个简单例子

7.1 char类型偏移

#include <stdio.h>
int main()
{
    char str[] = "abcdefgh";
    char* p = str;
    printf("str[0]的地址:%p, a[0]的值:%c\n", &str[0], str[0]);
    printf("   p+0的地址:%p,  p+0的值:%c\n", (p + 0), *(p + 0));
    printf("str[1]的地址:%p, a[1]的值:%c\n", &str[1], str[1]);
    printf("   p+1的地址:%p,  p+1的值:%c\n", (p + 1), *(p + 1));
    printf("str[2]的地址:%p, a[2]的值:%c\n", &str[2], str[2]);
    printf("   p+2的地址:%p,  p+2的值:%c\n", (p + 2), *(p + 2));
    return 0;
}

 

 通过指针偏移后的地址值可以看出,char类型的指针偏移一个单位时指针就指向了下一个字符,也就是地址偏移了1个字节。

 

7.2 int类型偏移

#include <stdio.h>
int main()
{
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int* p = arr;
    printf("arr[0]的地址:%p, a[0]的值:%d\n", &arr[0], arr[0]);
    printf("   p+0的地址:%p,  p+0的值:%d\n", (p + 0), *(p + 0));
    printf("arr[1]的地址:%p, a[1]的值:%d\n", &arr[1], arr[1]);
    printf("   p+1的地址:%p,  p+1的值:%d\n", (p + 1), *(p + 1));
    printf("arr[2]的地址:%p, a[2]的值:%d\n", &arr[2], arr[2]);
    printf("   p+2的地址:%p,  p+2的值:%d\n", (p + 2), *(p + 2));
    return 0;
}

 

通过指针偏移后的地址值可以看出,int类型的指针偏移一个单位时指针就指向数组的下一个元素,也就是地址偏移了4个字节。

 

7.3 struct类型偏移

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS //如果你需要继续使用 strcpy 并且理解其风险,可以在代码的开始部分添加宏定义 #define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 来关闭这个特定警告。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

struct student {
	int id;
	char name[20];
	int age;
	double score;
};


//通过指针给结构体中的成员赋值
int main()
{
	//通过malloc()函数可以对指针直接赋值
	struct student* p = (struct student*)malloc(sizeof(struct student) * 3);//分配可以放得下3个结构体的内存空间

	p->id = 1;
	strcpy(p->name, "张三");
	p->age = 33;
	p->score = 1.33;

	p++; //指针偏移到下一个元素
	p->id = 2;
	strcpy(p->name, "李四");
	p->age = 32;
	p->score = 1.27;

	p++;//指针偏移到下一个元素
	p->id = 3;
	strcpy(p->name, "王五");
	p->age = 34;
	p->score = 1.56;



	p--;
	p--;
	struct student* pMove = p;//此时的p已经偏移回第一个元素了
	for (int i = 0; i < 3; i++)
	{
		printf("%d,%s,%d,%f\n", p->id, p->name, p->age, p->score);
		p++;
	}

	for (int i = 0; i < 3; i++)
	{
		printf("%d,%s,%d,%f\n", pMove[i].id, pMove[i].name, pMove[i].age, pMove[i].score);
	}


	return 0;
}

运行结果:

 

7.4 指针地址偏移量计算

示例1:

#include <stdio.h>
int main()
{
    int a = 1;
    char* p = (char*)&a;
    *(p + 1) = 2;
    printf("a  = %d\n", a);
    *(p + 2) = 3;
    printf("a  = %d\n", a);
    printf("  p的地址:%p\n", p);
    printf("p+1的地址:%p\n", p+1);
    printf("p+2的地址:%p\n", p+2);
    return 0;
}

1.在vs的调试模式下可以查看到整型变量a的地址及地址所存放的类容。在指针p偏移前,a的地址存放的内容(4个字节)为 01 00 00 00

2.程序执行*(p+1)=2之后,a的地址的存放内容为 01 02 00 00,也就是第2字节的数据被修改为 2。

3.程序执行*(p+2)=3之后,a的地址的存放内容为 01 02 03 00,也就是变量a的第3个字节的数据被修改为3。

4.通过程序运行结果可以看出,char类型指针指向了int类型变量,指针的偏移步长并不是4个字节,而是1个字节。

结论:指针的偏移步长与指向的变量的类型无关,与指针本身的类型有关。比如char类型指针+1时,内存地址就偏移1个字节;int类型指针+1时,内存地址就偏移4个字节。

 

示例2:

指针的地址偏移量和保存这个地址的指针类型有关。
指针的类型占有的内存空间,就是 指针加1 的地址偏移量。

数据类型 内存空间(字节) 指针加1的地址偏移量
char 1 1
short 2 2
int 4 4
float 4 4
double 8 8

 

示例:

#include <stdio.h>

int main(void)
{
	char* c = "abcd";
	printf("char = %d\n", sizeof(char));
	printf("0x%p\n", c);
	printf("0x%p\n\n", c + 1);

	short* s = 100;
	printf("short = %d\n", sizeof(short));
	printf("0x%p\n", s);
	printf("0x%p\n\n", s + 1);

	int test = 200;
	int* i = &test;
	printf("int = %d\n", sizeof(int));
	printf("0x%p\n", i);
	printf("0x%p\n\n", i + 1);

	float test1 = 3.14;
	float* f = &test1;
	printf("float = %d\n", sizeof(float));
	printf("0x%p\n", f);
	printf("0x%p\n\n", f + 1);

	float test2 = 3.14159;
	double* d = &test2;
	printf("double = %d\n", sizeof(double));
	printf("0x%p\n", d);
	printf("0x%p\n\n", d + 1);

	return 0;
}

运行结果:

 

8. 指针什么时候需要申请内存空间?

看需要:例如你需要把数据存到栈区就不需要开内存,直接使用指针指向一个类型;例如你需要把数据存到堆区就需要开内存

示例1:int类型指针

	int *p;//只有地址,没有内存空间。这个地址是随机地址。

(1)没有申请内存空间:指针不能直接赋值,一般需要指向一个类型(int、char、double)。

	int *p;
	*p = 1;
	cout << *p << endl;

	//错误!指针变量q没有空间,不能直接存放数据。

编译器错误提示:

(2)开辟到栈区:把数据存放到栈区

	int *p;//定义指针p
	int a = 1;//定义int类型a
	p = &a;//指针p指向a这块内存地址
	cout <<"p = "<<*p << endl;//解引用

(3)开辟到堆区:如果要给指针直接赋值的话,必须采用动态内存申请的方式赋值。

	int *p = new int;
	*p = 1;
	cout <<"p = "<<*p << endl;//解引用

//正确,存放数据之前给指针变量申请了一个int类型大小的堆内存空间。

 

示例2:struct类型指针

struct student
{
	int id;
	char name[20];
	int age;
};

(1)没有申请内存空间:指针不能直接赋值,一般需要指向一个类型(int、char、double)。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>


struct student
{
	int id;
	char name[20];
	int age;
};


int main() 
{
	struct student* p;

	p->id = 1;
	strcpy(p->name, "张三");
	p->age = 33;
	//错误!指针变量p没有空间,不能直接存放数据。

	printf("p->id = %d\n",p->id);
	printf("p->name = %s\n", p->name);
	printf("p->age = %d\n", p->age);

	return 0;
}

编译器错误提示:

开辟到栈区错误写法:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>


struct student
{
	int id;
	char name[20];
	int age;
};


int main()
{
	struct student stu;//定义一个结构体

	int l_id = 1002;
	char l_name[20] = "张三";
	int l_age = 18;

	struct student* p;//定义一个结构体指针和初始化
	p->id = &l_id;
	strcpy(p->name, l_name);
	p->age = &l_age;

	printf("p->id = %d\n", p->id);
	printf("p->name = %s\n", p->name);
	printf("p->age = %d\n", p->age);

	system("pause");
}

编译器报错:

 

(2)开辟到栈区:把数据存放到栈区

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

struct student
{
	int id;
	char name[20];
	int age;
};


int main()
{
	struct student stu;//定义一个结构体

	//初始化结构体
	stu.id = 1001;
	strcpy(stu.name, "张三");
	stu.age = 33;

	struct student* p = &stu;//定义一个结构体指针,并指向结构体stu

	printf("p->id = %d\n", p->id);
	printf("p->name = %s\n", p->name);
	printf("p->age = %d\n", p->age);

	system("pause");
}

 

(3)开辟到堆区:如果要给指针直接赋值的话,必须采用动态内存申请的方式赋值。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>


struct student
{
	int id;
	char name[20];
	int age;
};


int main()
{

	struct student* p = NULL;//定义一个结构体指针
	p = (struct student*)malloc(sizeof(struct student));

	p->id = 1002;
	strcpy(p->name, "张三");
	p->age = 18;

	printf("p->id = %d\n", p->id);
	printf("p->name = %s\n", p->name);
	printf("p->age = %d\n", p->age);

	system("pause");
}


 

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